JP2009069144A - 少なくとも三つのセンサ測定部を有するコリオリ型質量流量測定装置及び測定方法 - Google Patents

少なくとも三つのセンサ測定部を有するコリオリ型質量流量測定装置及び測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低流量でも十分な測定を可能とするために高感度そして高精度なコリオリ型質量流量測定装置及び測定方法を提供することを課題とする。
【解決手段】質量流量の測定のために、流管2と、該流管を回転軸線Sまわりに回転振動せしめる励起手段8と、該流管の動きに対応するアナログ信号を発するように流管に対して非接触に配設された少なくとも三つのセンサS1,S2,S3と、アナログ信号をデジタル化してデジタルセンサ信号から質量流量を演算する手段とを有しているコリオリ型測定装置において、演算手段がセンサ測定部におけるセンサ信号からの時間情報を専ら用いるように設けられている。
【選択図】図3

Description

本発明は、流管と、該流管に回転軸線まわりの揺動回転を生じせしめる励起手段と、流管の動きに対応してアナログ信号を発し、流管に対して非接触に配置された少なくとも三つのセンサ測定部と、アナログ信号をデジタル化しこのデジタルセンサ信号から流体の質量流量を算出する手段とを有する、質量流量測定のためのコリオリ型質量流量測定装置に関する。
このような形式の測定装置は、特許文献1や特許文献2で知られている。これらの文献に開示されている測定装置は、一直線上に配されて流管の動きに対応して三つの位置で流管と協働してアナログ信号を発する三つのセンサ測定部を有しており、特に、第一センサ測定部と第二センサ測定部の位置は回転軸線に関して対称であり、一方、第三センサ測定部の位置は第一センサ測定部と第二センサ測定部を結ぶ線上で、上記回転軸線に対して第一そして第二センサの測定部よりも遠くにある。
コリオリ型の測定装置の原理は、媒体の流れの方向と回転軸線に対して直角な方向の力が回転面で媒体の流れに作用するという効果にもとづいている。このため、通常、管形状は、回転軸線の周りにおいて固有振動数で振動する。コリオリ力は励起により誘導される振動の軸線に対して直角な回転軸線についての動きを生じせしめる。誘導された回転とコリオリ力により生じた回転の振幅比は、質量流量の一次関数である。最良の位置(すなわち、コリオリ力により変位が最大となる位置)での流管の動きの測定は、上記の誘導そして生じた動きの比の最適な決定を得ることを可能とする。流管の動きは、位置測定、速度測定、さらには、加速度測定によって知ることができる。コリオリ型質量流量計におけるコリオリ効果を測定する従来の方法は、励起の回転軸線に関する二つのセンサ測定部により流管の動きを測定することであった。
EP1719982A1 EP1719983A1
一般に、発生するコリオリ力は小さく、したがって、誘導そして発生した力の比は小さい。したがって、これらの小さな比が与えられるとき、二つのセンサ測定部の間での位相差が誘導そして発生した変位にほぼ等しい。この場合の位相差は、流管を流れる媒体の質量流量の尺度となる。小さな位相差は質量流量の一次関数である。
流管の中立位置に関するセンサ測定部の位置は、流管が固定形状であり、あるいは、センサ測定部が機械的に流管に結合しているので、現存するコリオリ型質量流量計では、通常、変化しない。流管の回転極に対するセンサ測定部の位置の正確さは、測定器の感度を決定する。もし、位置がドリフトしていなければ、装置の正確な感度がキャリブレーションにより一回だけ決定される。個々の測定器の間で、センサ測定部や他の要素の位置に起因する感度のバラツキ幅は少なからず存在し、このバラツキ幅は各測定器が最大精度を得るためにキャリブレーションされねばならない。
質量流量を正確に測定できるようにコリオリ効果に対して高感度をもたなくてはならない。例えば、特許文献1そして特許文献2に開示されているような流量測定器は、センサ測定部が流管に対して非接触で設けられている一方で、非常に小さな力でも動き得るように可撓性をもって支持されている流管を有している。これは、流管の回転軸線に関してのセンサ測定部の正確な位置が一定していないという欠点を有している。この回転軸線は、経時によって、温度、圧力、あるいは重力に起因してドリフトしてしまう。センサ測定部は流管に対して取り付けられていないから、測定器の感度は、もしセンサ測定部が二つ用いられている場合、対応するドリフトを示す。
測定の位相シフトは、質量流量だけではなく、いわゆる回転極に対する二つのセンサ測定部の位置によっても影響を受ける。これは、測定器の感度にドリフトをもたらし、正確な質量流量計としての使用には不適としてしまう。
本発明は、とりわけ、低流量でも十分な測定を可能とするために高感度そして高精度なコリオリ型質量流量測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
本発明によると、冒頭で述べた種の質量流量装置は、この目的のために、質量流量を算出する手段がセンサ信号からの時間情報を専ら用いるために設けられていることを特徴としている。
本発明による質量流量装置は、流管に対して非接触で、例えば容量性であるいは光学的に該流管の動きを測定するセンサ測定部を用いている。センサ測定部は、例えば光センサを有し、高精度で、流管の調和運動の時間情報を測定することができる。もしセンサ信号の振幅をも用いるならば、上述の回転極のシフトについて補償することが可能となる。時間と振幅における二つのセンサ測定部の正確な情報は、原理上、可撓流管ならば、励起による動きとコリオリ力により生じた動きの間の比を決定するのに十分である。用いられている(光)センサの信号の振幅は、温度、時間によりドリフトする傾向にあるので、この振幅は補足情報として用いるには十分適しているとは言えない。したがって、本発明によると、第三のセンサからの時間情報が用いられる。これは流管の回転極のシフトについての補償ができる。
本発明によるコリオリ型の質量流量測定装置の一形態では、第一センサ測定部と第二センサ測定部が流管の回転軸線に関して対称位置で近接配置されている。第三センサ測定部は第一及び第二センサ測定部の一方に近接して設けられている。励起そして発生変位の正確な比は、センサ測定部に対する流管の回転極の位置の正確さに係りなく、第三センサ測定部の正確な時間情報から決定でき、三つのセンサ測定部のすべてからの正確な時間情報は、通常作動中に回転極の位置がシフトしていても、励起による振幅とコリオリ力により発生する振幅との比を正確に決定するのに、デジタル電子回路でのアルゴリズムにて使用される。二つの振幅の比が質量流量と一次関数の関係にあるので、上記質量流量は感度で増倍することで決定できる。
別途の単一チャンネルのアナログ‐デジタル(A/D)コンバータを、三つのセンサ測定部を有する場合、この三つのセンサ測定部に用いることも、あるいは、一つの多チャンネルのA/Dコンバータを三つのセンサ測定部を有する場合に用いることも可能である。しかし、これに代えて、標準の二チャンネル(ステレオ)A/Dコンバータ、すなわち一対のA/Dコンバータを使用することも可能である。二対のコンバータは三つのセンサ測定部を有する場合に用いられるであろう。
二対のA/Dコンバータを使用することで内部位相回転によって測定データの質が低下することを防止するには、一つのセンサ測定部からの情報が二度読み取られる。一つのセンサ測定部が二度読み取られると、三つのセンサ測定部の場合、結果として、四つのデジタル信号を得ることとなり、一つのセンサ測定部の信号が二回用いられる。第一ペアのセンサ信号は、例えば、第一そして第二センサ測定部からの情報である。第二ペアのセンサ信号は、例えば、第一そして第三センサ測定部からの情報である。この考え方は、三つよりも多いセンサ測定部そして二対よりも多いA/Dコンバータの場合にも拡張して適用できる。
この点において、本発明によるコリオリ型の測定装置の一形態は、アナログ信号をデジタル化してデジタルセンサ信号を発生する手段を有し、少なくとも一つのセンサ測定部の信号が二回読み取られることに特徴がある。
さらなる形態では、回転軸線に関して対称に配されているセンサ測定部のうちの一つのセンサ測定部の信号が二回読み取られることに特徴がある。
さらに、本発明は、四つあるいは五つの(さらには、それよりも多い)センサ測定部が一列に配されている質量流量測定装置にも関している。線形化によって、さらに正確な回転極の位置の決定が実現できる。
本発明は、また、三つあるいはそれよりも多いセンサ測定部が一列に配されていないときにも、各センサ測定部が回転軸線から異なる距離に配されていれば、効果的となる。
本発明は、さらに、コリオリ型質量流量測定装置を用いた質量流量の測定方法にも関している。
本発明によるコリオリ型の質量流量測定装置では、第一センサ測定部と第二センサ測定部が流管の回転軸線に関して対称位置で近接配置され、第三センサ測定部は第一及び第二センサ測定部の一方に近接して設けられており、励起そして発生変位の正確な比は、センサ測定部に対する流管の回転極の位置の正確さに係りなく、第三センサ測定部の正確な時間情報から決定でき、三つのセンサ測定部のすべてからの正確な時間情報は、通常作動中に回転極の位置がシフトしていても、励起による振幅とコリオリ力により発生する振幅との比を正確に決定するのに、デジタル電子回路でのアルゴリズムにて使用されるので、二つの振幅の比が質量流量と一次関数の関係になり、上記質量流量は感度で増倍することで決定できる。
以下、添付図面にもとづき、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図1は、実質的に一まわり(360°)をなす流路を形成するようにU字状に屈曲されたループ状の検出管(流管)2をもつコリオリ型質量流量計1の特殊な形態(本発明はすべての形式のコリオリ管に適用可能である)を示している。ループ状の検出管2は、二つの平行な側管部2c,2dを有し、これらは一端側で第一連絡管部2eそして他端側で二つの第二連絡管部2a,2bに接続されている。二つの第二連絡管部2a,2bは、これらが側管部2c,2dに接続されている側とは反対側で、流動媒体のための(可撓)流入管3と(可撓)流出管4に接続されている。ループ状の検出管2は、全体として、丸みをもつ隅部をもった矩形状をなし、曲げ成形し易い形状になっている。流入管3は、接続ブロック20を経て、供給ライン6に接続され、流出管4は排出ライン7に接続されている。この形態の流入管3と流出管4は、本実施形態では、ループ状の検出管2のループ内にあって、取付手段12によってフレーム13に取り付けられている。可撓流入管3と流出管4は検出管2のループの一部を形成していないが、フレーム13へのループ状の検出管2の可撓性をもった取付に供している。ループ状の検出管2は、流入管と流出管によって可撓性をもって懸吊されているとみなすことができる。この点に関して、センサ測定部と協働する部分での検出管の固有振動数が、この検出管とフレームとの間の接続部での固有振動数よりも高くなっていて、局部的な固有モードが生じないようになっていることが望まれる。検出管は、例えば、ステンレス鋼管で外径が約0.7mmそして壁厚が約0.1mmとして形成できる。検出管2のループの大きさと管が耐えられる圧力(例えば、100bar)にもよるが、管の外径は、通常、1mmより小さく、壁厚は0.2mmあるいはそれ以下である。
流入管3と流出管4はループ状の検出管2の対称主軸線S(鉛直方向に延び流入管3と流出管4の間を通る線)に関して対称でこの対称主軸線に近接して両側に延びており、取付手段12、例えばクランピング、鑞接、溶接によって取り付けられている。この取付手段12はフレーム13に取り付けられている。流入管3と流出管4は直接フレーム13に取り付けられていてもよい。
図1の構造において、対称主軸線S(回転の主軸あるいは励起軸線となる)まわりにループ状の検出管2を回転させるための励磁手段は、二箇所で空隙9,10が形成され、フレーム13に固定されたマグネットヨーク8を有し、該マグネットヨーク8は永久磁石19が設けられており、ループ状の検出管2(上記第二連絡管部)の部分2a,2bが上記空隙を通るように延びており、検出管2に電流をもたらす手段を有している。図1において、これらは、検出管2内へ電流を生じせしめるための手段である。永久磁石マグネットヨーク8は二つの上ヨーク部8aと8a’とを有し、これらは空隙9,10によって下ヨーク部8bから分離されている。ヨーク部8aと8a’の間には永久磁石19が配設されており、その一方の極(N極)はヨーク部8aに向いており、他方の極(S極)はヨーク部8a’の方に向いている。
二つのトランス用コア17,17aがそれぞれコイル18a,18bを有し、これらのトランス用コアが側管部2c,2dを通っていて、これらのトランス用コアによって、検出管内に電流が生ずる。コイル18a,18bは、図示のごとくトランス用コアの内側の脚部に巻かれていても、あるいは他の側に巻かれていてもよい。永久磁石ヨーク8の空隙9,10のそれぞれに電流の方向を横切り互いに反対に向く磁界が生ずるが、この磁界と検出管2内に生ずる(交番)電流との組み合わせが検出管2にトルクをもたらし、対称主軸線まわりの振動あるいは回転(捩りモード)を始める。
流れ媒体が検出管内を流れると、検出管は、対称主軸線を横切る応答軸線に関して振動(揺動モード)を始める。作動中、流れ媒体の様子を表わす連絡管部2eの点における(正弦波状)変位が、連絡管部2eに近接して配された第一センサ測定部11aそして第二センサ測定部11bを有するコリオリ効果検出システムによって検知される。第一そして第二センサ測定部は、対称主軸線と連絡管部2eとの交点近くで該対称主軸線の両側に対称的に配置されている。第三センサ測定部11cが修正の目的で、第一そして第二センサ測定部の位置を結ぶ線上でその外側位置にて上記第一そして第二センサ測定部の一方と隣接するように配されている。センサ測定部は、例えば、電磁型、誘導型、容量型あるいは超音波型とすることができる。しかし、図1の形態の場合、センサ測定部には光センサが用いられている。ここで用いられている光センサは、いわゆるオプトセンサ測定部11a,11bそして11cであり、それぞれがフレーム13に取り付けられたU字型ハウジングを有し、光源(例えばLED)がU字の一方の脚部に配置され、該光源からの光を受けるセンサとしての感光セル(例えば、フォトトランジスタ)が他方の脚部で上記光源に対向して配置されている。連絡管部2eあるいは、これに取り付けられた羽根はU字状センサハウジングの脚部におけるセンサ測定部11aと11bの間そして、もし存在すればセンサ測定部11cとの間を移動可能となっていて、光源からの光を多かれ少なかれ遮断できる。
図2は、本発明のコリオリ型流量計の一形態の作動を示すブロック図である。一列に配された三つのセンサ測定部におけるセンサS1,S2,S3が、図2のブロック図にて、流管の動きを検知するために用いられている。三つのセンサ測定部すべてにより検出システムを形成していて、これらによって時間情報が十分な値で得られ流管の動きを知ることができる。励起と応答の振幅比はこれらの信号で定まる。
作動原理は次のごとくである。三つのセンサS1,S2,S3で発せられたアナログ信号は、アナログデジタル(A/D)コンバータADC1,ADC2,ADC3でデジタル信号に変換される。センサS1とS2の間における信号の差そしてセンサS1とS3の間における信号の差が本発明では重要となる。最初の二つのセンサからの情報は、発振器を用いて、流管を固有振動数で振動させるのに用いられる。この振動の周波数と位相は、その後に、PLL(位相ロックループ)24によって決定される。これは一般的な技術である。基準の正弦波そして余弦波の信号がPLL24の周波数そして位相から得られる。基準正弦波は、したがって、位相が正確で、基準余弦波はPLL24からの信号に関して正確に90°だけ位相差がある。PLL信号は、コリオリ流管の正確な周波数を有していて、該コリオリ流管はその固有振動数で振動する。その後、センサS1,S2,S3からの三つのデジタル信号は、PLL24の正弦波そして余弦波と混合(すなわち、掛け算)される。各信号に対して、PLLの位相と同じ位相又は異なる位相の成分が決定される。これらの信号のそれぞれについての低域通過フィルタ21a,21b;22a,22b;23a,23bで別々(並列的)に行なわれる濾波は、各センサについてDC成分を生ずる。したがって、六つの信号がこの瞬間に得られる。PLL位相に関する各デジタル信号の位相はブロック25,26,27で決定され、逆正接(アークタンジェント)が各信号対に決定される。これは、PLLの位相、すなわちδ,δ,δに関しての三つの相対位相角を生ずる。PLLの基準位相は消えて、独立位相角が互いに比較される。これはセンサS1,S2の位相の間での差分が算出されたことを意味する。次に、この差分がセンサS1,S3の位相の間についても算出される。これは、すべて、二つの独立位相角、すなわち、δ−δ=δ12によるセンサS1,S2間の位相角と、δ−δ=δ13によるセンサS1,S3間の位相角につながる。これらの独立した位相角は、流管の回転極でのシフトの補償を可能とするのに、必要かつ十分な情報である。
次に、変形例として、他の形態を図3のブロック図を用いて説明する。
三つの光センサS1,S2,S3からのアナログ信号はアナログデジタル(A/D)コンバータによってデジタル信号に変換される。この変換は、この場合、二重のステレオとなっているA/DコンバータADC1L/ADC1R;ADC2L/ADC2Rとして示されている標準コンポーネントによってなされ、これによって、四つのチャンネルすべてが読み取られる。センサS1とS2との間での信号の差分そしてセンサS1とS3との間での信号の差分が決定される。測定データの質が、A/Dコンバータでの内部位相回転により低下することを防止するためには、一つのセンサからの情報、この場合センサS1からの情報が一度は各A/Dコンバータ対のために、二度読み取られる。したがって、これはセンサS1からの信号が二重に存在する四つのデジタル信号をもたらす。センサ信号の一対はセンサS1とS3からの情報を有している。
あるいは、センサS2あるいはセンサS3からの信号がセンサS1からの信号に代えて二度読み取られてもよい。
最初の二つのセンサからの情報は、発振器を用いて、流管を固有振動数で振動させるために用いられる。この振動の周波数と位相は、その後に、PLL(位相ロックループ)31によって決定される。これは一般的な技術である。基準の正弦波そして余弦波の信号がPLL31の周波数そして位相から得られる。基準正弦波は、したがって、位相が正確で、基準余弦波はPLL31からの信号に関して正確に90°だけ位相差がある。PLL信号は、コリオリ流管の正確な周波数を有していて、該コリオリ流管はその固有振動数で振動する。その後、センサからの四つのデジタル信号は、PLL31の正弦波そして余弦波と混合(すなわち、掛け算)される。各信号に対して、PLLの位相と同じ位相又は異なる位相の成分が決定される。これらの信号のそれぞれについての低域通過フィルタ32a‐32hで別々(並列的)に行なわれる濾波は、各センサについてDC成分を生ずる。したがって、八つの信号がこの瞬間に得られる。PLL位相に関する各デジタル信号の位相はブロック33‐36で決定され、逆正接(アークタンジェント)が各信号対に決定される。これは、PLLの位相、すなわちδ1a,δ,δ1b,δに関しての四つの相対位相角を生ずる。独立位相角と他の位相角との比較を行ないPLLの基準位相は消える。これはセンサS1,S2の位相の間での差分が算出されたことを意味する。次に、この差分がセンサS1,S3の位相の間についても算出される。これは、二つの独立位相角、すなわち、δ−δ=δ12によるセンサS1,S2間の位相角と、δ−δ=δ13によるセンサS1,S3間の位相角につながる。これらの独立した位相角は、流管の回転極でのシフトの補償を可能とするのに、必要かつ十分な情報である。
二つの独立位相角δ12とδ13にもとづく回転極のシフトの補償の原理は、以下のごとくである。最初に、測定された位相におけるゼロ点のエラーが補償される。これは、二つの位相角が流量ゼロのときに測定されることによりなされる。この時点で流管内の流れがゼロであるということは、バルブを閉じることで確実に保証される。測定信号はメモリに蓄積される。流量ゼロのときにストアされた値は、後に、流量測定中の測定位相角から差し引かれる。これは、ゼロ点のズレの補償、表示ゼロ点あるいはオフセット補償についての一般的技術である。機械的あるいは電気的な不完全さに起因する位相のズレはこのようにして補償される。
センサが三つの場合、センサが互いの相対位置に変化がないという事実が用いられる。測定された二つの独立位相角は、通常、低流量のときには、鋭角(90°以下)である。これらの位相角とπラジアン角との差は、これら二つの低流量位相角に、鈍角(90°以上)の代替値となる。測定された二つの位相角の鈍角値は、θそしてθで示される。このθ,θから角度φが次のように求められる。
Figure 2009069144
対角γはこの角度φから次のように求められる。
Figure 2009069144
次に、角度αが角度φと角度γから次のように算出される。
Figure 2009069144
励起振幅とコリオリ力で生ずる振幅との位相差と等しい角度αから、励起振幅とコリオリ力で生ずる振幅の比を得る。この比は、次のように示される質量流量Φに比例する。
Figure 2009069144
最後に、本発明は、質量流量の測定のためのコリオリ型測定装置に関しており、流管と、該流管を回転軸線まわりに回転振動せしめる励起手段と、該流管の動きに対応するアナログ信号を発するように流管に対して配設された少なくとも三つのセンサと、アナログ信号をデジタル化してデジタルセンサ信号から質量流量を演算する手段とを有し、演算手段がセンサ信号からの時間情報を専ら用いるようになっている。センサの正確な時間情報は、励起による振幅とコリオリ力による振幅との比を正確に決定するために、デジタル電子回路で、アルゴリズムにより用いられる。質量流量はこの比から求められる。
コリオリ管と三つのセンサを有するコリオリ型の質量流量測定装置を示す。 図1の質量流量測定装置のセンサ測定部からの信号の処理を示す第一ブロック図である。 図1の質量流量測定装置のセンサ測定部からの信号の処理を示す第二ブロック図である。
符号の説明
1 コリオリ型質量流量計
2 流管(検出管)
11a,11b,11c センサ測定部
21a,21b,22a,22b,23a,23b 低域通過フィルタ
32a‐32h 低域通過フィルタ
S 回転軸線

Claims (8)

  1. 質量流量の測定のために、流管と、該流管を回転軸線まわりに回転振動せしめる励起手段と、該流管の動きに対応するアナログ信号を発するように流管に対して非接触に配設された少なくとも三つのセンサ測定部と、アナログ信号をデジタル化してデジタルセンサ信号から質量流量を演算する手段とを有しているコリオリ型質量流量測定装置において、演算手段がセンサ測定部におけるセンサ信号からの時間情報を専ら用いるように設けられていることを特徴とするコリオリ型質量流量測定装置。
  2. 励起による振幅とコリオリ力による振幅との比を時間情報から引き出し、該比から質量流量を演算する手段を有していることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量測定装置。
  3. 流管の動きに対応したアナログ信号を、流管と協働して三つの位置で発するように配された第一及び第二センサ測定部、そして第三センサ測定部を有し、第一及び第二センサ測定部の位置が回転軸線に関して対称であり、第三センサ測定部の位置が第一及び第二センサ測定部の位置を結ぶ線上にあって、上記回転軸線までの距離が第一及び第二センサ測定部における距離よりも大きく設定されていて、第一センサ測定部よりも第二センサ測定部から離れていることとする請求項1又は請求項2に記載のコリオリ型質量流量測定装置。
  4. 同じ周波数で正弦波と余弦波を発生する手段と、低域通過フィルタに接続されていてデジタル信号に正弦波と余弦波を乗じ、生成信号のDC成分を引き出す手段と、各入力信号の二つのDC成分の比から基準位相に対する位相を演算する手段と、第一センサ測定部と第二センサ測定部の信号の間の位相差を演算する手段と、第一センサ測定部と第三センサ測定部の信号の間の位相差を演算する手段と、両位相差から質量流量を演算する手段とを有していることとする請求項3に記載のコリオリ型質量流量測定装置。
  5. アナログ信号をデジタル化してデジタルセンサ信号を生ずる手段を有し、少なくとも一つのセンサの信号が二度読み取られることとする請求項1、請求項2そして請求項3のうちの一つに記載のコリオリ型質量流量測定装置。
  6. 二度読み取られるのは、回転軸線に関して対称位置に配された第一及び第二センサ測定部のうちの一方のセンサ測定部の信号であることとする請求項5に記載のコリオリ型質量流量測定装置。
  7. 流管と、流管の動きに対応して流管と協働しアナログ信号を発するように設けられた少なくとも三つのセンサ測定部を有するコリオリ型質量流量測定装置による質量流量の測定方法において、次の工程を経ることを特徴とする質量流量の測定方法。
    ・流管の回転軸線まわりに一次モードで流管を振動せしめ、
    ・アナログセンサ信号をデジタル化し、
    ・質量流量の演算のためにセンサ信号からの時間情報を専ら用いてデジタル信号から質量流量を演算する。
  8. すべてのセンサ測定部からの時間情報が電子回路でアルゴリズムにより使用されて、励起による振幅とコリオリ力による振幅との比が決定され、この比から質量流量が決定されることとする請求項7に記載の質量流量の測定方法。
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